Mathematical model of the cabin suspension system for grain and forage harvesters taking into account the dynamic properties of the supporting system


Cite item

Abstract

The paper is devoted to the study of the vibrational state of the operator's workplace of a transport-technological machine with a supporting system that undergoes torsional and bending elastic deformations during operation. Based on the previously carried experimental studies, the relevance of the work was substantiated and the goal was set to develop a computational model of spatial vibrations of the cabin on a non-existent system in the form of elastic cantilever beams. An original mathematical model of cabin vibrations on an elastic foundation is presented. It takes into account the nonlinear elastic and dissipative properties of the supporting system structure. A variant of the implementation of the developed mathematical model using the example of the mathematical modeling environment Mathcad is proposed. As an example of calculating the dynamic properties of a bearing system, a case of using the MSC Adams software package with an integrated finite element calculation module Flex is shown. It is presented that taking into account the dynamic properties of the carrier system in the model makes it possible to calculate the vibration load of the cabin with high accuracy and reproduce the resonance phenomena caused by the natural modes of vibration of the carrier system and disturbances from technological sources. The results of the verification of the computational model based on the analysis of the convergence of the values of the full corrected vibration acceleration in the center of mass of the grain harvester cabin, as well as the vibration spectra in linear directions obtained by experimental and computational methods, are presented. Directions for the development of measures and technical solutions for improving the vibration load of operators of transport and technological machines who have active sources of power disturbances on board, as well as a supporting system that experiences elastic deformations during operation are proposed.

Full Text

Введение Непрерывный технологический прогресс предполагает создание новых образцов техники с улучшенными эксплуатационными параметрами, большей производительности, что обязательно интенсифицирует рост действующих от них вибрационных и акустических полей, причем, как правило, темпы этого роста опережают темпы по созданию новых методов и средств виброакустической защиты [1]. В современном машиностроении все чаще возникают случаи, когда производительность машин и механизмов конструкторы ограничивают по соображениям виброакустической безопасности. Создание эффективно функционирующих систем подрессоривания является важной научно-технической задачей, обеспечивающей не только улучшение условий труда водителей и операторов транспортно-технологических машин (ТТМ), но и повышение их производительности как основного функционального свойства. Среди самоходных ТТМ зерноуборочные комбайны (ЗУК) и кормоуборочные комбайны (КУК) по условиям эксплуатации, особенностям компоновки и колебаний следует выделять в особый класс машин [1-5], которые воспринимают не только свойственные самоходным машинам силовые возмущения от опорной поверхности, но и широкополосные полигармонические возмущения, генерируемые множеством технологических источников. В проведенных экспериментальных исследованиях также отмечено проявление резонансных явлений обусловленных упругостью некоторых элементов несущей системы [2-5]. В современном понимании решение задач управления вибрационным состоянием объектов предполагает проведение процедур параметрической оптимизации и оптимизационного синтеза, обязательным условием реализации которых является применение расчетных динамических моделей, в связи с чем разработка математических и имитационных моделей пространственных колебаний кабины на сегодняшний день имеет важное практическое значение для современного комбайностроения, а научные исследования в этом направлении особенно актуальны. Цель исследования На основе экспериментальных исследований установлены особенности вибронагруженности кабины ЗУК, заключающиеся в существенном отличии полного значения виброускорений кабины в передних и задних присоединительных точках кабины к несущей системе [2]. Выделенные особенности обусловлены упругими деформациями несущей системы изгибной и крутильной форм [5], однако в настоящее время существующие подходы к проектированию виброзащитных систем ТТМ [6-8] предполагают применение расчетных моделей пространственных колебаний кабины на абсолютно жестких несущих системах, что в отношении ЗУК и КУК неприемлемо. Целью исследования в рамках данной работы является разработка математической модели системы подрессоривания и пространственных колебаний кабины ЗУК и КУК с учетом динамических свойств несущей системы кабины. Материалы и методы Система подрессоривания кабины большинства существующих ТТМ состоит из четырех виброизолирующих опор, соединяющих кабину с ее несущей системой упруго-вязкими связями, при этом сама несущая система представляется абсолютно жестким элементом конструкции машины [6-9]. Данные обстоятельства позволяют установить, что кинематические воздействия на кабину распределены симметрично по ее опорным точкам. Тогда принципиальная и расчетные схемы системы подрессоривания кабины будут иметь вид, представленный на рис. 1, где Оm Xm Ym Zm - неподвижная система координат, связанная корпусом машины; Оc Xc Yc Zc - неподвижная система координат, связанная с центром масс кабины с началом в центре масс кабины Оc; Оc' Xc' Yc' Zc' - подвижная система координат, связанная с центром масс кабины с началом в центре масс кабины Оc', после поворота; n - номер виброизолирующей опоры подвески кабины, n = I, II, III, IV; j - количество виброизолирующих опор подвески кабины, j = 4; A1, A2, A3, A4 - точки крепления к несущей системе соответственно I, II, III, IV виброизолирующей опоры подвески кабины; A5, A6, A7, A8 - точки крепления к кабине соответственно I, II, III, IV виброизолирующей опоры подвески кабины; αn, βn,
×

About the authors

P. V Sirotin

Platov South-Russian State Polytechnic University

Email: spv_61@mail.ru
PhD in Engineering Novocherkassk, Russia

I. YU Lebedinskiy

Platov South-Russian State Polytechnic University

Novocherkassk, Russia

M. M Zhileykin

Bauman Moscow State Technical University

DSc in Engineering Moscow, Russia

References

  1. Сиротин П.В., Жилейкин М.М., Сапегин А.Г., Зленко С.В. Предпосылки создания комплексной системы горизонтирования и подрессоривания остова зерноуборочных комбайнов // Тракторы и сельхозмашины. 2017. № 11. С. 21-29.
  2. Сиротин П.В., Лебединский И.Ю., Кравченко В.В. Анализ виброакустической нагруженности рабочего места операторов зерноуборочных комбайнов // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. 2018. № 1(53). С. 113-121.
  3. Abdul-Aziz A. Almosawi, Ayad J. ALkhafaji, Kamal M. Alqazzaz, «Vibration transmission by combine harvester to the driver at different operative conditions during paddy harvest», International Journal of Science and Nature, Vol. 7, 2016, p. 127-133.
  4. Jahanbakhshi, A., Ghamari, B., & Heidarbeigi, K. (2020). Vibrations analysis of combine harvester seat in time and frequency domain. Journal of Mechanical Engineering and Sciences, 14(1), 6251 - 6258. https://doi.org/10.15282/jmes.14.1.2020.04.0489
  5. P.V. Sirotin, I.Yu. Lebedinsky, M. I. Sysoev, «Combine harvester threshers operator workplace vibration load study and substantiation their secondary cushioning systems design principles», AIP Conference Proceedings 2188, 050030 (2019)
  6. Черненко А.Б., Гасанов Б.Г. Пневматические системы вторичного подрессоривания кабин многоосных автомобилей : монография. Юж.-Рос. Гос. Техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ). 2012. 156 с.
  7. Шеховцов В.В., Победин А.В., Ляшенко М.В., Шеховцов К.В. Разработка модели и расчётные исследования подвески кабины транспортного средства // Проектирование колёсных машин: матер, всерос. науч.-техн. конф., посвящ 100-летию начала подгот. инж. по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (25-26 дек. 2009 г.) / ГОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". М., 2010. С. 184-188.
  8. Корчагин П.А. Уравновешивание и виброзащита: монография. Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. 72 с.
  9. Месхи Б.Ч. Улучшение условий труда операторов комбайнов за счет снижения шума и вибрации : дис. … канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 1999. 132 с.
  10. Sirotin, P.V., Lebedinskii, I.Y., Zhileikin, M.M. et al. Test Bench for Vibration Isolation Systems. Russ. Engin. Res. 40, 551-555 (2020). https://doi.org/10.3103/S1068798X20070229
  11. Сиротин П.В., Лебединский И.Ю. Обоснование и анализ применения гибридных динамических моделей для исследования систем подрессоривания кабин зерно- и кормоуборочных комбайнов // Вестник аграрной науки Дона. 2018. № 42, Т. 2. С. 39-48.
  12. Жеглов Л.Ф., Фоминых А.Б. Оценка показателей вибрационной безопасности автомобиля в частотной области // Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 12. С. 1-21.

Copyright (c) 2021 Sirotin P.V., Lebedinskiy I.Y., Zhileykin M.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies